半導體器(qi)(qi)(qi)件是現代(dai)工(gong)業整機(ji)設備的核心，廣泛應用于計算機(ji)、消(xiao)費類電子、網(wang)絡通信、汽車(che)電子等核心領域，半導體器(qi)(qi)(qi)件產業主要由(you)四個基本部分組成：集成電路(lu)(lu)(lu)、光(guang)電器(qi)(qi)(qi)件、分立器(qi)(qi)(qi)件、傳感器(qi)(qi)(qi)，其中集成電路(lu)(lu)(lu)占到了80%以上(shang)，因此通常又將半導體和集成電路(lu)(lu)(lu)等價。

集成(cheng)電路，按(an)照產品種類(lei)又主要分為四大類(lei)：微處理器(qi)(qi)(qi)、存(cun)儲器(qi)(qi)(qi)、邏(luo)輯(ji)器(qi)(qi)(qi)件(jian)、模(mo)擬器(qi)(qi)(qi)件(jian)。然而隨(sui)著半導體器(qi)(qi)(qi)件(jian)應(ying)用領域的(de)不(bu)斷擴大，許多特殊場(chang)合要求半導體能(neng)夠在高溫、強輻射、大功(gong)率(lv)等環境下(xia)依然能(neng)夠堅持(chi)使用、不(bu)損壞，第(di)一、二(er)代半導體材(cai)料(liao)便無能(neng)為力，于是第(di)三代半導體材(cai)料(liao)便應(ying)運而生。

目前，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化(hua)鋁（AlN）為(wei)(wei)代(dai)表(biao)的(de)(de)寬(kuan)(kuan)禁帶(dai)半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)以更(geng)(geng)大(da)的(de)(de)優(you)勢占領市場(chang)主導(dao)(dao)(dao)，統稱第(di)三(san)代(dai)半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)。第(di)三(san)代(dai)半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)具(ju)有更(geng)(geng)寬(kuan)(kuan)的(de)(de)禁帶(dai)寬(kuan)(kuan)度(du)，更(geng)(geng)高的(de)(de)擊穿電場(chang)、熱導(dao)(dao)(dao)率(lv)、電子飽和速率(lv)及(ji)更(geng)(geng)高的(de)(de)抗(kang)輻(fu)射能力，更(geng)(geng)適合于制作高溫、高頻、抗(kang)輻(fu)射及(ji)大(da)功率(lv)器件，通常又被稱為(wei)(wei)寬(kuan)(kuan)禁帶(dai)半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)（禁帶(dai)寬(kuan)(kuan)度(du)大(da)于2.2eV），亦稱為(wei)(wei)高溫半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)。從(cong)目前第(di)三(san)代(dai)半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)和器件的(de)(de)研(yan)(yan)究來看，較為(wei)(wei)成(cheng)熟(shu)的(de)(de)是碳化(hua)硅和氮化(hua)鎵半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材料(liao)(liao)，且(qie)碳化(hua)硅技(ji)術最(zui)為(wei)(wei)成(cheng)熟(shu)，而氧化(hua)鋅、金剛石、氮化(hua)鋁等材料(liao)(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)究尚屬起步階(jie)段。

一、材料及其特性

碳化硅材料普遍用于陶瓷(ci)球(qiu)軸承、閥門、半導(dao)體材料、陀(tuo)螺、測量儀、航(hang)空航(hang)天等領域，已經(jing)成為一種在很(hen)多(duo)工(gong)業領域不(bu)可替代的材料。

SiC是一種(zhong)天然超(chao)晶(jing)格，又是一種(zhong)典型(xing)的(de)同質(zhi)多(duo)型(xing)體。由于Si與(yu)C雙原子層堆積(ji)序列(lie)的(de)差異會(hui)導致不同的(de)晶(jing)體結構，有著(zhu)超(chao)過200種(zhong)（目前已知(zhi)）同質(zhi)多(duo)型(xing)族。因此SiC非(fei)常適(shi)合用作新一代發光二極管（LED）襯(chen)底材(cai)料、大功率(lv)電(dian)力電(dian)子材(cai)料。

碳化硅的物理化學性能

二、加工工藝研究

SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對其進行機械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光，其中金剛石砂輪(lun)磨削(xue)加工(gong)(gong)(gong)的效率最高(gao)，是加工(gong)(gong)(gong)SiC的重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)手段。但是SiC材(cai)料不(bu)僅具有(you)高(gao)硬(ying)度的特點，高(gao)脆性、低斷裂韌性也使得其磨削(xue)加工(gong)(gong)(gong)過程中易引(yin)起材(cai)料的脆性斷裂從而在材(cai)料表(biao)面留(liu)下表(biao)面破碎層(ceng)，且產生較(jiao)為(wei)嚴重(zhong)(zhong)(zhong)的表(biao)面與亞表(biao)層(ceng)損傷(shang)(shang)，影響加工(gong)(gong)(gong)精度。因此，深(shen)入研究(jiu)SiC磨削(xue)機理與亞表(biao)面損傷(shang)(shang)對于(yu)提高(gao)SiC磨削(xue)加工(gong)(gong)(gong)效率和表(biao)面質量具有(you)重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)意義。

1、硬脆(cui)材料的研磨機理

對硬脆材料進行(xing)研(yan)磨(mo)(mo)，磨(mo)(mo)料對其具有滾軋作用(yong)或微(wei)切(qie)(qie)(qie)削作用(yong)。磨(mo)(mo)粒(li)作用(yong)于有凹(ao)凸和裂(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面上時，隨著研(yan)磨(mo)(mo)加(jia)(jia)工的(de)(de)(de)進行(xing)，在研(yan)磨(mo)(mo)載(zai)荷的(de)(de)(de)作用(yong)下，部分磨(mo)(mo)粒(li)被壓入工件(jian)，并用(yong)露出的(de)(de)(de)尖端劃刻工件(jian)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面進行(xing)微(wei)切(qie)(qie)(qie)削加(jia)(jia)工。另一部分磨(mo)(mo)粒(li)在工件(jian)和研(yan)磨(mo)(mo)盤之(zhi)間進行(xing)滾動而產生(sheng)滾軋作用(yong)，使(shi)工件(jian)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面形成微(wei)裂(lie)紋(wen)，裂(lie)紋(wen)延伸使(shi)工件(jian)表(biao)(biao)面形成脆性碎裂(lie)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)屑，從而達到表(biao)(biao)面去(qu)除的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。

因為硬(ying)脆材(cai)(cai)料的(de)(de)抗(kang)拉(la)強度(du)比(bi)抗(kang)壓(ya)強度(du)要(yao)小，對磨(mo)粒施加載荷時(shi)(shi)，會在(zai)硬(ying)脆材(cai)(cai)料表面(mian)的(de)(de)拉(la)伸應力的(de)(de)最大(da)處產生微裂紋(wen)。當縱橫(heng)交(jiao)(jiao)錯的(de)(de)裂紋(wen)延(yan)伸且相互交(jiao)(jiao)叉時(shi)(shi)，受裂紋(wen)包圍的(de)(de)部分就會破(po)碎并崩(beng)離出小碎塊。此為硬(ying)脆材(cai)(cai)料研(yan)磨(mo)時(shi)(shi)的(de)(de)切(qie)屑生成和表面(mian)形成的(de)(de)基(ji)本過(guo)程。

由(you)于(yu)碳化(hua)硅(gui)材(cai)料(liao)屬于(yu)高(gao)硬脆性材(cai)料(liao)，需要采用專用的(de)研磨液(ye)，碳化(hua)硅(gui)研磨的(de)主要技術難(nan)點在(zai)于(yu)高(gao)硬度材(cai)料(liao)減薄(bo)厚度的(de)精確測量及控制，磨削后晶圓表(biao)面出(chu)現(xian)損傷(shang)、微(wei)裂紋和殘余應(ying)力，碳化(hua)硅(gui)晶圓減薄(bo)后會(hui)產生比碳化(hua)硅(gui)晶圓更(geng)大(da)的(de)翹曲現(xian)象。

2、碳化硅(gui)的拋光加工研究(jiu)

目前碳(tan)化硅(gui)的拋光(guang)(guang)方法主要(yao)有：機(ji)械(xie)拋光(guang)(guang)、磁流變(bian)拋光(guang)(guang)、化學(xue)機(ji)械(xie)拋光(guang)(guang)（CMP）、電化學(xue)拋光(guang)(guang)（ECMP）、催化劑輔(fu)(fu)助拋光(guang)(guang)或(huo)催化輔(fu)(fu)助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦(ca)化學(xue)拋光(guang)(guang)（TCP，又稱無磨料拋光(guang)(guang)）和等(deng)離(li)子輔(fu)(fu)助拋光(guang)(guang)（PAP）等(deng)。

化學機(ji)械拋光（CMP）技術是目前半導(dao)體(ti)加工(gong)的重要手段，也是目前能(neng)將單(dan)晶硅表面加工(gong)到原(yuan)子級光滑最有效的工(gong)藝方法(fa)，是能(neng)在加工(gong)過程中同時實(shi)現(xian)局部(bu)和全局平坦化的唯一實(shi)用技術。

CMP的(de)加工效率(lv)主要(yao)由(you)工件表面(mian)的(de)化學反應速(su)(su)率(lv)決定。通(tong)過研究工藝參數對(dui)SiC材料拋(pao)(pao)光速(su)(su)率(lv)的(de)影響，結果表明：旋(xuan)轉速(su)(su)率(lv)和拋(pao)(pao)光壓力的(de)影響較大(da)；溫(wen)度和拋(pao)(pao)光液pH值(zhi)的(de)影響不大(da)。為提(ti)高(gao)材料的(de)拋(pao)(pao)光速(su)(su)率(lv)應盡(jin)量(liang)提(ti)高(gao)轉速(su)(su)，雖然增加拋(pao)(pao)光壓力也可提(ti)高(gao)去除速(su)(su)率(lv)，但容(rong)易損(sun)壞拋(pao)(pao)光墊。

目前的碳化硅拋光方法存在(zai)(zai)著材料去除率低、成(cheng)本高的問(wen)題，且無磨粒研拋、催化輔(fu)助加(jia)工等加(jia)工方法，由于(yu)要(yao)求的條(tiao)件苛刻(ke)、裝置操作復(fu)雜，目前仍(reng)處在(zai)(zai)實(shi)驗室范圍內，批量(liang)生產的實(shi)現可(ke)能性不大。

人類1905年 第一次在隕石中發現碳化硅，現在主要來源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產業、半導體(ti)產業、壓電晶(jing)體(ti)產業工(gong)程(cheng)性加工(gong)材料。

在半導體領域的應用

碳化硅一維納米材(cai)料由于自身(shen)的(de)微(wei)觀形貌和(he)晶體(ti)結構(gou)使其具備更(geng)多獨特的(de)優異性能和(he)更(geng)加廣泛(fan)的(de)應用前景，被普遍(bian)認為(wei)有望成(cheng)為(wei)第三代寬(kuan)帶隙半導體(ti)材(cai)料的(de)重要組成(cheng)單(dan)元。

第三代半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料即寬禁(jin)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料，又(you)稱高(gao)(gao)(gao)溫(wen)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料，主要(yao)包(bao)括碳(tan)化硅、氮(dan)化鎵、氮(dan)化鋁、氧化鋅、金剛石等(deng)。這類材(cai)料具有寬的(de)禁(jin)帶(dai)寬度(du)（禁(jin)帶(dai)寬度(du)大(da)于2.2ev）、高(gao)(gao)(gao)的(de)熱導(dao)率、高(gao)(gao)(gao)的(de)擊穿(chuan)電場、高(gao)(gao)(gao)的(de)抗輻射能力(li)、高(gao)(gao)(gao)的(de)電子飽和速率等(deng)特(te)點，適用于高(gao)(gao)(gao)溫(wen)、高(gao)(gao)(gao)頻(pin)、抗輻射及大(da)功率器件的(de)制(zhi)作。第三代半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料憑(ping)借著其(qi)優異(yi)的(de)特(te)性，未(wei)來應(ying)用前景十分廣闊。

在光伏領域的應用

光伏(fu)逆(ni)變(bian)器(qi)對光伏(fu)發(fa)電(dian)作用非(fei)常重要，不(bu)僅具(ju)有(you)直交(jiao)流(liu)(liu)變(bian)換功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)，還具(ju)有(you)最大限度(du)地發(fa)揮太陽電(dian)池性(xing)能(neng)(neng)的功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)和系(xi)(xi)統故(gu)障(zhang)保護功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)。歸納起來有(you)自動(dong)運行(xing)(xing)和停機功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)、最大功(gong)(gong)(gong)(gong)率跟蹤控制功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)、防單(dan)獨運行(xing)(xing)功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)（并(bing)(bing)網(wang)系(xi)(xi)統用）、自動(dong)電(dian)壓調整(zheng)功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)（并(bing)(bing)網(wang)系(xi)(xi)統用）、直流(liu)(liu)檢測(ce)功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)（并(bing)(bing)網(wang)系(xi)(xi)統用）、直流(liu)(liu)接地檢測(ce)功(gong)(gong)(gong)(gong)能(neng)(neng)（并(bing)(bing)網(wang)系(xi)(xi)統用）等。

國內(nei)逆變(bian)器廠家對新技術和新器件的應用(yong)還是(shi)太(tai)少，以(yi)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅為功率器件的逆變(bian)器，并且開(kai)始(shi)大批量應用(yong)，碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅內(nei)阻(zu)很(hen)少，可以(yi)把(ba)效(xiao)率做(zuo)很(hen)高，開(kai)關(guan)頻率可以(yi)達到10K，也可以(yi)節省(sheng)LC濾(lv)波(bo)器和母線電(dian)容(rong)。碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅材料在光伏逆變(bian)器應用(yong)上或有突破。

在航空領域的應用

碳化(hua)硅(gui)制作(zuo)成(cheng)碳化(hua)硅(gui)纖維，碳化(hua)硅(gui)纖維主要用作(zuo)耐(nai)(nai)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)材(cai)(cai)(cai)料和增強(qiang)材(cai)(cai)(cai)料，耐(nai)(nai)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)材(cai)(cai)(cai)料包括熱屏蔽材(cai)(cai)(cai)料、耐(nai)(nai)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)輸送帶、過濾(lv)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣體或熔(rong)融金屬的濾(lv)布等。用做(zuo)增強(qiang)材(cai)(cai)(cai)料時，常與碳纖維或玻璃纖維合用，以增強(qiang)金屬（如鋁）和陶瓷為主，如做(zuo)成(cheng)噴氣式飛機的剎車片、發動(dong)機葉片、著陸齒輪(lun)箱和機身結構材(cai)(cai)(cai)料等，還(huan)可用做(zuo)體育用品，其短切纖維則(ze)可用做(zuo)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)爐(lu)材(cai)(cai)(cai)等。

碳化(hua)硅(gui)粗料(liao)已能(neng)大量供應(ying)，但(dan)是技術含量極(ji)高 的(de)(de)納(na)米級碳化(hua)硅(gui)粉(fen)體(ti)的(de)(de)應(ying)用(yong)短(duan)時間不可能(neng)形成規(gui)模(mo)經濟。碳化(hua)硅(gui)晶(jing)片(pian)在(zai)我國(guo)(guo)研發(fa)尚屬起(qi)步階段，碳化(hua)硅(gui)晶(jing)片(pian)在(zai)國(guo)(guo)內(nei)的(de)(de)應(ying)用(yong)較少，碳化(hua)硅(gui)材料(liao)產業(ye)的(de)(de)發(fa)展缺(que)乏(fa)下游應(ying)用(yong)企(qi)(qi)業(ye)的(de)(de)支撐(cheng)。就(jiu)人才培養(yang)和(he)技術研發(fa)等(deng)開展密切合作；加強企(qi)(qi)業(ye)間的(de)(de)交流(liu)，尤其要積(ji)極(ji)參(can)加國(guo)(guo)際交流(liu)活動，提升(sheng)企(qi)(qi)業(ye)發(fa)展水平；關注(zhu)企(qi)(qi)業(ye)品牌建設，努力打造企(qi)(qi)業(ye)的(de)(de)拳頭產品等(deng)。

全球半絕(jue)緣碳化硅晶(jing)圓材(cai)料市場的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢。半絕(jue)緣襯底(di)具備(bei)高電阻的(de)(de)(de)同時可以承受(shou)更高的(de)(de)(de)頻率，因此在(zai)(zai)5G通訊和新一代(dai)智能(neng)互聯，傳感感應(ying)器(qi)件上具備(bei)廣闊的(de)(de)(de)應(ying)用空(kong)間(jian)。當前主(zhu)流半絕(jue)緣襯底(di)的(de)(de)(de)產品以4英寸(cun)(cun)為主(zhu)。2017年(nian)，全球半絕(jue)緣襯底(di)的(de)(de)(de)市場需求(qiu)約4萬(wan)片(pian)。預計到2020年(nian)，4英寸(cun)(cun)半絕(jue)緣襯底(di)的(de)(de)(de)市場保持在(zai)(zai)4萬(wan)片(pian)，而6英寸(cun)(cun)半絕(jue)緣襯底(di)的(de)(de)(de)市場迅速提升至4~5萬(wan)片(pian)；2025~2030年(nian)，4英寸(cun)(cun)半絕(jue)緣襯底(di)逐(zhu)漸退出市場，而6英寸(cun)(cun)晶(jing)圓將(jiang)增長至20萬(wan)片(pian)。

國際(ji)上碳(tan)(tan)化(hua)硅單(dan)晶襯(chen)底材料的(de)產(chan)業化(hua)公(gong)司主(zhu)要(yao)有美國科銳（Cree）、II-VI、道康寧(ning)（Dow Corning），德(de)國SiCrystal（被日本羅姆Rohm收購）等公(gong)司，其碳(tan)(tan)化(hua)硅單(dan)晶產(chan)品覆蓋4英(ying)(ying)寸和6英(ying)(ying)寸。

國(guo)內(nei)主要碳化(hua)硅單(dan)晶(jing)襯底(di)材(cai)料(liao)企業和(he)研(yan)發機(ji)構已經(jing)具備了成熟的(de)4英寸零微管碳化(hua)硅單(dan)晶(jing)產(chan)品(pin)，并已經(jing)研(yan)發出了6英寸單(dan)晶(jing)樣品(pin)，但是在晶(jing)體材(cai)料(liao)質量(liang)和(he)產(chan)業化(hua)能力(li)方面(mian)距(ju)離國(guo)際先進水(shui)平(ping)存在一定(ding)差(cha)距(ju)。

碳化硅外延材料

與傳統硅(gui)(gui)功(gong)率器(qi)件(jian)(jian)制作(zuo)工藝不同的(de)是(shi)，碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)功(gong)率器(qi)件(jian)(jian)不能直接(jie)制作(zuo)在碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)單晶材(cai)(cai)料上(shang)，必須在導通(tong)型單晶襯底上(shang)額外(wai)(wai)生(sheng)長高(gao)質量(liang)(liang)的(de)外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)材(cai)(cai)料，并(bing)在外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)層上(shang)制造各(ge)類器(qi)件(jian)(jian)。主要(yao)的(de)外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)技(ji)術(shu)是(shi)化(hua)學氣相沉積（CVD），通(tong)過臺階流的(de)生(sheng)長來(lai)(lai)實現(xian)一定厚(hou)度(du)和摻(chan)雜的(de)碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)材(cai)(cai)料。隨(sui)著碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)功(gong)率器(qi)件(jian)(jian)制造要(yao)求和耐壓等(deng)級的(de)不斷提(ti)高(gao)，碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)材(cai)(cai)料不斷向低缺陷(xian)、厚(hou)外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)方向發展。近年(nian)來(lai)(lai)，薄碳(tan)化(hua)硅(gui)(gui)外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)材(cai)(cai)料（20 μm以下）的(de)質量(liang)(liang)不斷提(ti)升，外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)材(cai)(cai)料中的(de)微管缺陷(xian)已(yi)經消除，掉(diao)落物(wu)、三角(jiao)形、胡蘿卜、螺位(wei)錯(cuo)、基平(ping)面(mian)位(wei)錯(cuo)、深(shen)能級缺陷(xian)等(deng)成為影響器(qi)件(jian)(jian)性能的(de)主要(yao)因素。隨(sui)著外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)生(sheng)長技(ji)術(shu)的(de)進步，外(wai)(wai)延(yan)(yan)(yan)(yan)層厚(hou)度(du)也從過去的(de)幾(ji)μm、十幾(ji)μm發展到(dao)目前的(de)幾(ji)十μm、上(shang)百μm。

由于碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)器件(jian)必須制作(zuo)在外(wai)延(yan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)上(shang)(shang)(shang)，所以基(ji)本上(shang)(shang)(shang)所有碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)單晶材(cai)(cai)料(liao)(liao)都(dou)將作(zuo)為襯(chen)底(di)材(cai)(cai)料(liao)(liao)用來生長外(wai)延(yan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。國際上(shang)(shang)(shang)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)外(wai)延(yan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)技術發展迅速(su)，最高外(wai)延(yan)厚度達到(dao)(dao)250 μm以上(shang)(shang)(shang)。其中(zhong)，20 μm及以下的(de)(de)(de)外(wai)延(yan)技術成熟度較高，表面缺陷密度已經(jing)降(jiang)低到(dao)(dao)1個/cm2以下，位(wei)錯密度已從過去的(de)(de)(de)105個/cm2，降(jiang)低到(dao)(dao)目前(qian)的(de)(de)(de)103個/cm2以下，基(ji)平(ping)面位(wei)錯的(de)(de)(de)轉化(hua)(hua)(hua)率接近100 %，已經(jing)基(ji)本達到(dao)(dao)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)器件(jian)規模(mo)化(hua)(hua)(hua)生產(chan)(chan)對(dui)外(wai)延(yan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)要(yao)求。近年來國際上(shang)(shang)(shang)30 μm~50 μm外(wai)延(yan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)技術也迅速(su)成熟起(qi)來，但(dan)是由于受到(dao)(dao)市場需求的(de)(de)(de)局限，產(chan)(chan)業(ye)化(hua)(hua)(hua)進度緩慢。目前(qian)批(pi)量(liang)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)外(wai)延(yan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)產(chan)(chan)業(ye)化(hua)(hua)(hua)公司(si)有美國的(de)(de)(de)Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。

我(wo)國(guo)(guo)(guo)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料(liao)的研(yan)發和產業化(hua)(hua)(hua)水平(ping)緊(jin)緊(jin)跟隨(sui)國(guo)(guo)(guo)際水平(ping)，產品已打入國(guo)(guo)(guo)際市場。在(zai)產業化(hua)(hua)(hua)方(fang)面，我(wo)國(guo)(guo)(guo)20μm及以下的碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料(liao)產品水平(ping)接近國(guo)(guo)(guo)際先(xian)進水平(ping)；在(zai)研(yan)發方(fang)面，我(wo)國(guo)(guo)(guo)開發了100μm的厚外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料(liao)，在(zai)厚外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料(liao)缺(que)陷控制等方(fang)面距(ju)離(li)國(guo)(guo)(guo)際先(xian)進水平(ping)有一定的差距(ju)。同時(shi)，由(you)于國(guo)(guo)(guo)內(nei)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)芯片制造(zao)能力薄弱，對碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)單晶(jing)和材(cai)料(liao)的需(xu)求(qiu)較低，尚不足以完(wan)全支撐和拉動我(wo)國(guo)(guo)(guo)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)單晶(jing)襯底和外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料(liao)產業的發展。

碳化硅功率器件

碳化硅(gui)功率(lv)(lv)半導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)器件包括二極管(guan)(guan)和(he)(he)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)，其中二極管(guan)(guan)主(zhu)要(yao)有結(jie)勢(shi)壘肖特基功率(lv)(lv)二極管(guan)(guan)（JBS）、PiN功率(lv)(lv)二極管(guan)(guan)和(he)(he)混合PiN肖特基二極管(guan)(guan)（MPS）；晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)主(zhu)要(yao)有金屬氧化物半導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)場(chang)效應(ying)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)（MOSFET）、雙極型(xing)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)（BJT）、結(jie)型(xing)場(chang)效應(ying)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)（JFET）、絕緣柵雙極型(xing)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)（IGBT）和(he)(he)門極可關斷晶(jing)(jing)閘管(guan)(guan)（GTO）等。

2001年，德國英(ying)飛(fei)凌(ling)（Infineon）公(gong)司最先發布碳化(hua)(hua)(hua)硅(gui)肖(xiao)特(te)基功(gong)率(lv)二(er)極管(guan)(guan)(guan)產(chan)品(pin)(pin)，同年美(mei)國Cree公(gong)司也實現了碳化(hua)(hua)(hua)硅(gui)肖(xiao)特(te)基功(gong)率(lv)二(er)極管(guan)(guan)(guan)的(de)產(chan)業(ye)化(hua)(hua)(hua)。由于碳化(hua)(hua)(hua)硅(gui)晶體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)技(ji)術難度大，產(chan)業(ye)化(hua)(hua)(hua)進(jin)度落后于二(er)極管(guan)(guan)(guan)。2010年，日本Rohm公(gong)司首先量(liang)產(chan)SiC MOSFET產(chan)品(pin)(pin)，2011年美(mei)國Cree公(gong)司開始(shi)銷售SiC MOSFET產(chan)品(pin)(pin)。SiC IGBT和(he)GTO等器(qi)件由于技(ji)術難度更(geng)大，仍處于研發階段，距(ju)離產(chan)業(ye)化(hua)(hua)(hua)有(you)較大的(de)差距(ju)。SiC JBS二(er)極管(guan)(guan)(guan)和(he)MOSFET晶體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)由于其(qi)性(xing)能(neng)優越，成(cheng)為目前應用最廣泛、產(chan)業(ye)化(hua)(hua)(hua)成(cheng)熟度最高(gao)的(de)碳化(hua)(hua)(hua)硅(gui)功(gong)率(lv)器(qi)件。

隨著國(guo)際上碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)技術(shu)的(de)(de)進步(bu)和(he)制造工藝從4英(ying)寸(cun)升級到6英(ying)寸(cun)，器(qi)(qi)件(jian)產業化(hua)(hua)水平不(bu)斷提高，碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)成本迅速(su)下降。全球(qiu)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)市(shi)(shi)場(chang)(chang)的(de)(de)發展趨勢(shi)。2017年(nian)全球(qiu)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)（主要是SiC JBS和(he)MOSFET）的(de)(de)市(shi)(shi)場(chang)(chang)接(jie)近17億(yi)元(yuan)人民幣(bi)。Yole公司(si)預測，2017~2020年(nian)，碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)復合年(nian)均增長率(lv)(lv)(lv)超(chao)過(guo)28 %，到2020年(nian)市(shi)(shi)場(chang)(chang)規模(mo)達到35億(yi)元(yuan)人民幣(bi)，并以超(chao)過(guo)40 %的(de)(de)復合年(nian)均增長率(lv)(lv)(lv)繼續(xu)快速(su)增長。預計到2025年(nian)，全球(qiu)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)市(shi)(shi)場(chang)(chang)規模(mo)將超(chao)過(guo)150億(yi)元(yuan)人民幣(bi)，到2030年(nian)，全球(qiu)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)市(shi)(shi)場(chang)(chang)規模(mo)將超(chao)過(guo)500億(yi)元(yuan)人民幣(bi)。國(guo)內碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(gui)(gui)器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)市(shi)(shi)場(chang)(chang)約占國(guo)際市(shi)(shi)場(chang)(chang)的(de)(de)40 %~50 %。

目前，國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際上(shang)主要的(de)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅功率器(qi)件(jian)(jian)(jian)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)業化(hua)(hua)(hua)公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)有(you)美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)Wolfspeed、德國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)Infineon、日(ri)本(ben)Rohm、歐洲的(de)意(yi)法(fa)(fa)半導體（STMicroelectronics）、日(ri)本(ben)三菱（Mitsubishi），這幾家大(da)(da)公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)約(yue)占國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際市場(chang)的(de)90 %，另外(wai)，美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)通(tong)用電(dian)(dian)氣（GE）、日(ri)本(ben)豐田（Toyota）、日(ri)本(ben)富士（Fuji）、日(ri)本(ben)東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等(deng)(deng)公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)也開(kai)(kai)發(fa)了(le)(le)(le)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅功率器(qi)件(jian)(jian)(jian)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)。在SiC二極(ji)管(guan)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)方(fang)面(mian)(mian)(mian)，美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)Wolfspeed（包括Cree）、德國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)Infineon公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)已(yi)經(jing)推(tui)出了(le)(le)(le)五代(dai)(dai) SiC JBS產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)；其中(zhong)Wolfspeed的(de)第四(si)代(dai)(dai)及(ji)(ji)以(yi)(yi)前的(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)為(wei)平(ping)面(mian)(mian)(mian)型(xing)，第五代(dai)(dai)為(wei)溝槽(cao)型(xing)，并且在第五代(dai)(dai)650 V器(qi)件(jian)(jian)(jian)中(zhong)采用了(le)(le)(le)晶圓(yuan)減薄工(gong)(gong)藝將碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅晶圓(yuan)由(you)370 μm減薄至180 μm，進(jin)一步提高(gao)了(le)(le)(le)器(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)性能。Rohm公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)開(kai)(kai)發(fa)了(le)(le)(le)三代(dai)(dai)SiC二極(ji)管(guan)，最新產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)也采用了(le)(le)(le)溝槽(cao)型(xing)結構(gou)。Infineon公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)的(de)前四(si)代(dai)(dai)SiC二極(ji)管(guan)以(yi)(yi)600 V、650 V產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)為(wei)主，從第五代(dai)(dai)開(kai)(kai)始推(tui)出1200 V產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)，即將推(tui)出第六代(dai)(dai)低開(kai)(kai)啟電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)的(de)SiC JBS產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)。在MOSFET器(qi)件(jian)(jian)(jian)方(fang)面(mian)(mian)(mian)，Wolfspeed公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)推(tui)出600 V、1200 V和(he)1700 V共三個(ge)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)等(deng)(deng)級(ji)、幾十款平(ping)面(mian)(mian)(mian)柵(zha)(zha)MOSFET器(qi)件(jian)(jian)(jian)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)，電(dian)(dian)流從1 A～50 A不等(deng)(deng)；2017年3月(yue)，美(mei)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)Wolfspeed公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)發(fa)布了(le)(le)(le)900 V/150 A的(de)SiC MOSFET芯片(pian)，是(shi)目前單芯片(pian)電(dian)(dian)流容量最大(da)(da)的(de)SiC MOSFET產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)；Rohm公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)的(de)SiC MOSFET產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)有(you)平(ping)面(mian)(mian)(mian)柵(zha)(zha)和(he)溝槽(cao)柵(zha)(zha)兩類，電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)等(deng)(deng)級(ji)有(you)650 V和(he)1200 V；意(yi)法(fa)(fa)半導體開(kai)(kai)發(fa)了(le)(le)(le)650 V和(he)1200 V兩個(ge)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)等(deng)(deng)級(ji)的(de)SiC MOSFET產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)，Infineon公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)也推(tui)出了(le)(le)(le)溝槽(cao)柵(zha)(zha)的(de)1200 V SiC MOSFET產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)。另外(wai)，GeneSiC公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)開(kai)(kai)發(fa)了(le)(le)(le)1200 V和(he)1700 V的(de) SiC BJT產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)，Infineon和(he)USCi公(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)開(kai)(kai)發(fa)了(le)(le)(le)1200 V的(de)SiC JFET產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)。在研發(fa)領域，國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)際上(shang)已(yi)經(jing)開(kai)(kai)發(fa)了(le)(le)(le)10 kV以(yi)(yi)上(shang)的(de)JBS、MOSFET、JFET、GTO等(deng)(deng)器(qi)件(jian)(jian)(jian)樣品(pin)(pin)，以(yi)(yi)及(ji)(ji)20 kV以(yi)(yi)上(shang)的(de)PiN、GTO和(he)IGBT器(qi)件(jian)(jian)(jian)樣品(pin)(pin)，由(you)于受到碳(tan)化(hua)(hua)(hua)硅材料(liao)缺(que)陷水平(ping)、器(qi)件(jian)(jian)(jian)設計技術、芯片(pian)制造工(gong)(gong)藝、器(qi)件(jian)(jian)(jian)封裝(zhuang)驅動技術以(yi)(yi)及(ji)(ji)市場(chang)需求的(de)制約(yue)，以(yi)(yi)上(shang)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)件(jian)(jian)(jian)短期內無法(fa)(fa)實(shi)現產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)業化(hua)(hua)(hua)。

“十二五(wu)(wu)”初期，我(wo)(wo)國(guo)掀起(qi)了研發(fa)第三代功(gong)(gong)(gong)率(lv)半(ban)導體器件領域的(de)熱潮(chao)；“十三五(wu)(wu)”期間(jian)，我(wo)(wo)國(guo)掀起(qi)了第三代功(gong)(gong)(gong)率(lv)半(ban)導體材料(liao)和(he)器件產(chan)業(ye)(ye)化的(de)浪潮(chao)。當前，我(wo)(wo)國(guo)的(de)碳(tan)化硅(gui)(gui)功(gong)(gong)(gong)率(lv)器件產(chan)品(pin)以(yi)二極(ji)管(guan)(guan)產(chan)品(pin)為主，若干單位具備開發(fa)晶體管(guan)(guan)產(chan)品(pin)的(de)能力，尚未(wei)實現產(chan)業(ye)(ye)化。在國(guo)家科(ke)技項目和(he)各級政府的(de)支持下，目前國(guo)內(nei)有(you)多(duo)家企(qi)業(ye)(ye)建成或正在建設多(duo)條碳(tan)化硅(gui)(gui)芯(xin)片(pian)工藝(yi)線(xian)，這些工藝(yi)線(xian)的(de)投產(chan)，將會大大提升國(guo)內(nei)碳(tan)化硅(gui)(gui)功(gong)(gong)(gong)率(lv)器件的(de)產(chan)業(ye)(ye)化水平。

碳化硅功率模塊

為了進一(yi)步提(ti)升碳化(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)的(de)電(dian)流(liu)(liu)容量(liang)，通常采用(yong)(yong)模塊(kuai)(kuai)封(feng)裝的(de)方法(fa)把多(duo)個芯片(pian)進行并(bing)聯(lian)集成(cheng)封(feng)裝。碳化(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)(lv)模塊(kuai)(kuai)首先是從由硅IGBT芯片(pian)和SiC JBS二極(ji)管芯片(pian)組成(cheng)的(de)混(hun)合功(gong)(gong)率(lv)(lv)模塊(kuai)(kuai)產品(pin)發(fa)展起來的(de)。隨著(zhu)SiC MOSFET器件(jian)的(de)成(cheng)熟，Wolfspeed、Infineon、三菱(ling)、Rohm等(deng)公司開(kai)發(fa)了由SiC JBS二極(ji)管和MOSFET組成(cheng)的(de)全(quan)碳化(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)(lv)模塊(kuai)(kuai)。目(mu)前國際上的(de)碳化(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)(lv)模塊(kuai)(kuai)產品(pin)最高(gao)(gao)電(dian)壓等(deng)級3300 V，最大電(dian)流(liu)(liu)700 A，最高(gao)(gao)工作(zuo)溫度175 ℃。在研發(fa)領域，全(quan)碳化(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)(lv)模塊(kuai)(kuai)最大電(dian)流(liu)(liu)容量(liang)達(da)到1200 A，最高(gao)(gao)工作(zuo)溫度達(da)到250 ℃，并(bing)采用(yong)(yong)芯片(pian)雙(shuang)面焊(han)接、新型互聯(lian)和緊湊型封(feng)裝等(deng)技術來提(ti)高(gao)(gao)模塊(kuai)(kuai)性(xing)能。

基于我(wo)國(guo)(guo)成熟的硅(gui)基功率模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)的封裝技術和(he)產(chan)業(ye)，我(wo)國(guo)(guo)碳化(hua)硅(gui)功率模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)的產(chan)業(ye)化(hua)水(shui)平緊跟國(guo)(guo)際先進水(shui)平。由于國(guo)(guo)內SiC MOSFET芯(xin)片(pian)產(chan)品尚未實現產(chan)業(ye)化(hua)，我(wo)國(guo)(guo)開發(fa)碳化(hua)硅(gui)功率模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)產(chan)品中的MOSFET芯(xin)片(pian)全部采用進口(kou)芯(xin)片(pian)。

碳化硅功率半導(dao)體的典型應用(yong)。碳化硅功率器件具有(you)(you)高(gao)(gao)電(dian)(dian)壓、大電(dian)(dian)流、高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)頻(pin)率、低損耗等獨特(te)優勢，將極大地提高(gao)(gao)現有(you)(you)能(neng)源(yuan)的轉換(huan)效率，對高(gao)(gao)效能(neng)源(yuan)轉換(huan)領(ling)域(yu)產生重大而深遠的影響，主要(yao)領(ling)域(yu)有(you)(you)智(zhi)能(neng)電(dian)(dian)網、軌道交通、電(dian)(dian)動汽車、新能(neng)源(yuan)并網、通訊電(dian)(dian)源(yuan)等。

碳化硅功率半導體存在的問題

盡(jin)管(guan)全球(qiu)(qiu)碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件市場已經初具(ju)規(gui)模(mo)，但是碳化(hua)(hua)硅(gui)功率器(qi)件領域(yu)仍然存在一些諸(zhu)多共性(xing)問題亟待突破，比如(ru)碳化(hua)(hua)硅(gui)單晶和(he)外延材料(liao)(liao)價(jia)格居高(gao)不下、材料(liao)(liao)缺陷問題仍未完全解決、碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件制造工藝(yi)難度(du)(du)較高(gao)、高(gao)壓(ya)碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件工藝(yi)不成熟、器(qi)件封裝不能(neng)滿足高(gao)頻高(gao)溫應(ying)用需(xu)求等，全球(qiu)(qiu)碳化(hua)(hua)硅(gui)技術和(he)產業(ye)距離成熟尚有一定(ding)的差距，在一定(ding)程度(du)(du)上制約(yue)了(le)碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件市場擴大的步伐。

1、碳化硅單晶材料

國際上碳化(hua)硅單晶材(cai)料領(ling)域(yu)存(cun)在(zai)的問題主要有(you)：

（1）大尺寸碳化(hua)(hua)硅(gui)單晶襯(chen)底(di)制(zhi)備技術(shu)仍不成熟(shu)。目前國際上碳化(hua)(hua)硅(gui)芯片的(de)制(zhi)造已經(jing)從4英(ying)寸換代(dai)到(dao)6英(ying)寸，并已經(jing)開發出了8英(ying)寸碳化(hua)(hua)硅(gui)單晶樣品，與先進的(de)硅(gui)功率半(ban)導體器件相比(bi)，單晶襯(chen)底(di)的(de)尺寸仍然偏小(xiao)、缺陷(xian)水平仍然偏高。

（2）缺乏(fa)更高效(xiao)(xiao)的碳化硅單晶(jing)襯(chen)底加工(gong)(gong)技術(shu)。碳化硅單晶(jing)襯(chen)底材料(liao)(liao)線(xian)切割工(gong)(gong)藝存在材料(liao)(liao)損耗(hao)大、效(xiao)(xiao)率低(di)等(deng)缺點，必(bi)須(xu)進一(yi)步(bu)開發大尺寸碳化硅晶(jing)體的切割工(gong)(gong)藝，提高加工(gong)(gong)效(xiao)(xiao)率。襯(chen)底表(biao)面(mian)加工(gong)(gong)質量的好壞直接決定了外延材料(liao)(liao)的表(biao)面(mian)缺陷(xian)密(mi)度，而(er)大尺寸碳化硅襯(chen)底的研磨和拋(pao)光工(gong)(gong)藝仍不(bu)能滿足(zu)要(yao)求，需要(yao)進一(yi)步(bu)開發研磨、拋(pao)光工(gong)(gong)藝參數，降低(di)晶(jing)圓表(biao)面(mian)粗(cu)糙度。

（3）P型(xing)(xing)(xing)襯底技(ji)術的研發(fa)較(jiao)為滯后(hou)。目前商業(ye)化(hua)的碳化(hua)硅產品(pin)是單極型(xing)(xing)(xing)器件。未來(lai)高壓雙(shuang)極型(xing)(xing)(xing)器件需要P型(xing)(xing)(xing)襯底。目前碳化(hua)硅P型(xing)(xing)(xing)單晶襯底缺陷較(jiao)高、電阻率(lv)較(jiao)高，其(qi)基礎科學(xue)問題尚未得到突破，技(ji)術開發(fa)滯后(hou)。

近年(nian)來，我國(guo)(guo)碳(tan)化(hua)硅單(dan)晶(jing)材料領(ling)域取(qu)得了長足(zu)進步，但(dan)與國(guo)(guo)際水平(ping)相比仍存在(zai)(zai)一定的(de)差距。除了以(yi)上共性(xing)問題以(yi)外(wai)，我國(guo)(guo)碳(tan)化(hua)硅單(dan)晶(jing)材料領(ling)域在(zai)(zai)以(yi)下兩個方面存在(zai)(zai)巨大的(de)風險：一是本土碳(tan)化(hua)硅單(dan)晶(jing)企業無(wu)法(fa)為國(guo)(guo)內(nei)已經/即將投(tou)產的(de)6英寸(cun)芯(xin)片(pian)工(gong)藝線提供高質量的(de)6英寸(cun)單(dan)晶(jing)襯底材料。（2）碳(tan)化(hua)硅材料的(de)檢測(ce)設備完(wan)全被國(guo)(guo)外(wai)公司所壟斷。

2. 碳化硅外延材料

國際上(shang)碳化硅外延材料領域存在的問題主要有：

（1）N型碳(tan)化(hua)硅外(wai)(wai)延(yan)生長技術有(you)待(dai)進一(yi)步提高。目前(qian)外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料生長過程中氣流和溫度控(kong)制等技術仍不完美，在(zai)6英寸碳(tan)化(hua)硅單晶襯底(di)上生長高均勻性的(de)外(wai)(wai)延(yan)材(cai)料技術仍有(you)一(yi)定挑戰(zhan)，一(yi)定程度影響了中低壓碳(tan)化(hua)硅芯(xin)片良率的(de)提高。

（2）P型(xing)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)外延技術仍不(bu)成熟。高(gao)壓碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)功率器(qi)件是雙極型(xing)器(qi)件，對P型(xing)重摻雜(za)外延材料提出了要求(qiu)，目前尚(shang)無滿足需(xu)求(qiu)的低(di)缺陷、重摻雜(za)的P型(xing)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)外延材料。

近年來我(wo)國(guo)碳(tan)化硅(gui)外(wai)延(yan)(yan)材料(liao)技術獲得(de)了(le)(le)長足進展，申請了(le)(le)一系列(lie)的(de)專利，正在(zai)縮小與(yu)其(qi)它(ta)國(guo)家的(de)差距，已經開(kai)始批(pi)量(liang)采用本土4英寸(cun)單(dan)晶(jing)襯底(di)材料(liao)，產(chan)品(pin)已經打入(ru)國(guo)際市場。但是，以(yi)下兩(liang)個方面存在(zai)巨大的(de)風險：一是目(mu)前國(guo)內碳(tan)化硅(gui)外(wai)延(yan)(yan)材料(liao)產(chan)品(pin)以(yi)4英寸(cun)為主(zhu)，由于受單(dan)晶(jing)襯底(di)材料(liao)的(de)局(ju)限(xian)，尚無法批(pi)量(liang)供(gong)貨6英寸(cun)產(chan)品(pin)。二(er)是碳(tan)化硅(gui)外(wai)延(yan)(yan)材料(liao)加工設備全(quan)部進口，將制約我(wo)國(guo)獨立自主(zhu)產(chan)業的(de)發(fa)展壯大。

3. 碳化硅功率器件

雖然國際上碳(tan)化(hua)硅器(qi)(qi)件(jian)技術和(he)產業化(hua)水(shui)平發展(zhan)迅速，開始了小范圍替代硅基二(er)極管和(he)IGBT的市(shi)場(chang)(chang)化(hua)進(jin)程，但(dan)是碳(tan)化(hua)硅功率器(qi)(qi)件(jian)的市(shi)場(chang)(chang)優勢尚(shang)未完全形成，尚(shang)不(bu)能撼動目(mu)前硅功率半導體(ti)器(qi)(qi)件(jian)市(shi)場(chang)(chang)上的主體(ti)地位。國際碳(tan)化(hua)硅器(qi)(qi)件(jian)領域存在(zai)的問題主要有：

（1）碳化硅(gui)單晶及外延(yan)技術還不夠完美，高質量(liang)的厚(hou)外延(yan)技術不成熟，這(zhe)使(shi)得制(zhi)造高壓(ya)碳化硅(gui)器(qi)(qi)件(jian)非常困(kun)難(nan)，而外延(yan)層的缺陷密度(du)又(you)制(zhi)約了碳化硅(gui)功率器(qi)(qi)件(jian)向大容量(liang)方向發展。

（2）碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅器(qi)件工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)水平還比較低，這是制約碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)器(qi)件發展和(he)推廣(guang)實現(xian)的技(ji)術(shu)瓶頸(jing)，特別是高(gao)(gao)溫(wen)大(da)劑量高(gao)(gao)能離子注入工(gong)藝(yi)、超高(gao)(gao)溫(wen)退火工(gong)藝(yi)、深槽刻(ke)蝕工(gong)藝(yi)和(he)高(gao)(gao)質量氧化(hua)(hua)層生長工(gong)藝(yi)尚(shang)不理想，使得碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅功(gong)(gong)率(lv)器(qi)件中存在不同程度的高(gao)(gao)溫(wen)和(he)長期工(gong)作(zuo)條件下(xia)可靠性(xing)低的缺陷。

（3）在碳化硅(gui)功率(lv)器(qi)(qi)件的(de)可靠性(xing)(xing)驗(yan)證方(fang)(fang)面，其試驗(yan)標準和(he)評價(jia)方(fang)(fang)法基本沿用硅(gui)器(qi)(qi)件，尚(shang)未有(you)(you)專門針對碳化硅(gui)功率(lv)器(qi)(qi)件特點(dian)的(de)可靠性(xing)(xing)試驗(yan)標準和(he)評價(jia)方(fang)(fang)法，導致試驗(yan)情況(kuang)與實(shi)際(ji)使用的(de)可靠性(xing)(xing)有(you)(you)差距。

（4）在碳化(hua)硅(gui)功率(lv)器(qi)件(jian)測(ce)試(shi)(shi)(shi)方面，碳化(hua)硅(gui)器(qi)件(jian)測(ce)試(shi)(shi)(shi)設備(bei)、測(ce)試(shi)(shi)(shi)方法和測(ce)試(shi)(shi)(shi)標(biao)準(zhun)基(ji)本(ben)沿用硅(gui)器(qi)件(jian)的測(ce)試(shi)(shi)(shi)方法，導致(zhi)碳化(hua)硅(gui)器(qi)件(jian)動態特(te)性、安全工(gong)作區等測(ce)試(shi)(shi)(shi)結(jie)果不夠準(zhun)確，缺乏統一的測(ce)試(shi)(shi)(shi)評價標(biao)準(zhun)。

除了以上(shang)共性問題(ti)(ti)外(wai)(wai)，我國(guo)碳化(hua)硅(gui)功(gong)率器(qi)件(jian)領域發(fa)展還存(cun)(cun)在研發(fa)時間短，技術儲備(bei)(bei)不(bu)足，進(jin)(jin)行碳化(hua)硅(gui)功(gong)率器(qi)件(jian)研發(fa)的(de)科研單位較(jiao)少(shao)，研發(fa)團隊的(de)技術水平跟國(guo)外(wai)(wai)還有(you)一定的(de)差(cha)(cha)距等問題(ti)(ti)，特別是(shi)在以下(xia)三(san)(san)個方面差(cha)(cha)距巨大(da)(da)：一是(shi)在SiC MOSFET器(qi)件(jian)方面的(de)研發(fa)進(jin)(jin)展緩慢，只有(you)少(shao)數單位具(ju)備(bei)(bei)獨(du)立的(de)研發(fa)能力(li)，存(cun)(cun)在一定程(cheng)度上(shang)依賴國(guo)際代(dai)工(gong)企業來制造芯(xin)片(pian)的(de)弊病，容(rong)易受制于人，產業化(hua)水平不(bu)容(rong)樂觀。二(er)是(shi)碳化(hua)硅(gui)芯(xin)片(pian)主要的(de)工(gong)藝(yi)設(she)備(bei)(bei)基本(ben)上(shang)被國(guo)外(wai)(wai)公司所(suo)(suo)(suo)壟斷(duan)，特別是(shi)高(gao)(gao)溫離(li)子注(zhu)入(ru)設(she)備(bei)(bei)、超(chao)高(gao)(gao)溫退火設(she)備(bei)(bei)和高(gao)(gao)質量氧化(hua)層生長設(she)備(bei)(bei)等，國(guo)內大(da)(da)規(gui)模建立碳化(hua)硅(gui)工(gong)藝(yi)線(xian)所(suo)(suo)(suo)采用(yong)的(de)關鍵設(she)備(bei)(bei)基本(ben)需(xu)要進(jin)(jin)口。三(san)(san)是(shi)碳化(hua)硅(gui)器(qi)件(jian)高(gao)(gao)端檢測設(she)備(bei)(bei)被國(guo)外(wai)(wai)所(suo)(suo)(suo)壟斷(duan)。

4. 碳化硅功率模塊

當前碳化(hua)硅功(gong)率模塊(kuai)(kuai)主要有引(yin)線鍵合型(xing)和平面(mian)封(feng)裝型(xing)兩種。為(wei)了充(chong)分發揮碳化(hua)硅功(gong)率器(qi)件的高溫、高頻(pin)優勢(shi)，必須(xu)不(bu)斷降(jiang)低功(gong)率模塊(kuai)(kuai)的寄生電感、降(jiang)低互(hu)連層熱阻，并提高芯片(pian)在(zai)(zai)高溫下(xia)的穩定運行能力。目前碳化(hua)硅功(gong)率模塊(kuai)(kuai)存在(zai)(zai)的主要問題有：

（1）采(cai)用多芯(xin)片(pian)并聯的(de)碳(tan)化硅功率(lv)模塊，由于(yu)結電(dian)容小、開(kai)關速(su)度高(gao)，因(yin)此(ci)在開(kai)關過(guo)程中會出現極高(gao)的(de)電(dian)流(liu)上升率(lv)（di/dt）和電(dian)壓上升率(lv)（dv/dt），在這種情況下會產(chan)生較嚴重的(de)電(dian)磁干(gan)擾(rao)和額外損耗，無法發揮碳(tan)化硅器(qi)件的(de)優良性(xing)能。

（2）碳(tan)化硅功(gong)(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的封(feng)裝工藝和封(feng)裝材料基本沿用(yong)了硅功(gong)(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的成(cheng)熟技術，在焊接、引線、基板(ban)、散熱等(deng)方(fang)面的創新(xin)不足，功(gong)(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)雜散參數較大，可靠性不高(gao)。

（3）碳化硅功率高(gao)溫(wen)(wen)封裝(zhuang)技術發展滯后。目前(qian)碳化硅器件(jian)高(gao)溫(wen)(wen)、高(gao)功率密度封裝(zhuang)的工(gong)藝及(ji)材(cai)料尚不完全成熟。為了發揮碳化硅功率器件(jian)的高(gao)溫(wen)(wen)優(you)勢，必(bi)須進一步研發先進燒結(jie)材(cai)料和工(gong)藝，在(zai)高(gao)溫(wen)(wen)、高(gao)可靠封裝(zhuang)材(cai)料及(ji)互連技術等(deng)方(fang)面實現整(zheng)體(ti)突(tu)破。

5. 碳化硅功率半導體的應用

盡管碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)前(qian)景廣闊，但(dan)是(shi)目前(qian)受限于價格過高(gao)等因(yin)素，迄今為(wei)止，市場規模并(bing)不(bu)(bu)(bu)大，應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)范圍(wei)并(bing)不(bu)(bu)(bu)廣，主要集(ji)中(zhong)于光伏(fu)、電源等領域。目前(qian)碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)存在的(de)(de)(de)(de)(de)主要問題(ti)有(you)：（1）碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)技(ji)(ji)術尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)成熟。為(wei)了充分發揮(hui)碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)頻、高(gao)溫(wen)特性，要求其驅(qu)動(dong)芯片具有(you)工(gong)作(zuo)溫(wen)度高(gao)、驅(qu)動(dong)電流大和可靠性高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)特點(dian)。目前(qian)驅(qu)動(dong)芯片沿用(yong)(yong)(yong)硅(gui)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)技(ji)(ji)術，尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)能(neng)滿足要求。（2）碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)保護技(ji)(ji)術尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)完善(shan)。碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)具有(you)開(kai)(kai)關頻率(lv)(lv)快、短路時間(jian)短等特點(dian)，目前(qian)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)保護技(ji)(ji)術尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)能(neng)滿足需(xu)求。（3）碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電路應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)開(kai)(kai)關模型(xing)尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)能(neng)全(quan)面反映(ying)碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)開(kai)(kai)關特性，尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)能(neng)對碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電路拓撲(pu)仿真設計提(ti)供(gong)準確的(de)(de)(de)(de)(de)指(zhi)導。（4）碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)電磁兼容問題(ti)尚(shang)(shang)(shang)未完全(quan)解(jie)決。（5）碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)電路拓撲(pu)尚(shang)(shang)(shang)不(bu)(bu)(bu)夠優化(hua)。目前(qian)碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)電路拓撲(pu)基(ji)本上(shang)沿用(yong)(yong)(yong)硅(gui)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)電路拓撲(pu)，沒(mei)有(you)開(kai)(kai)發出完全(quan)發揮(hui)碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)優勢的(de)(de)(de)(de)(de)新型(xing)電路拓撲(pu)結構。

碳化硅是典型的實用寬禁帶半導體材料之之一，跟硅和砷化鎵一樣具有典型的半導體特性，被人們稱為繼硅和砷化鎵之后的“第三代半導體”，尤其在制造電力電子器件方面具有廣闊的應用前景。但是，在半導體已深得人心的一個很長時期內，很多人對碳化硅的了解，還僅限于它的高硬度、耐磨和耐高溫特性，因而其實用價值在過去的長時期內主要是作為研磨材料應用于機械加工和作為耐火材料應用于金屬冶煉。 

雖然(ran)(ran)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)作為半導(dao)體材料的應(ying)用比硅(gui)(gui)和砷(shen)化(hua)(hua)鎵幾(ji)乎晚了半個(ge)世紀，但早在(zai)1824年，瑞典科(ke)學家(jia)J.J. Berzelius(1779-1848)在(zai)人(ren)工合(he)成金剛石的過(guo)程中就已經觀察到了它的存在(zai)。不過(guo)，由于自(zi)然(ran)(ran)界(jie)中天(tian)然(ran)(ran)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)晶(jing)體極(ji)少，人(ren)工合(he)成又極(ji)困(kun)難，人(ren)們在(zai)那個(ge)年代對其(qi)不可能有太多了解。直到E.G. Acheson(1856-1931)發(fa)明了碳(tan)化(hua)(hua)物晶(jing)體的人(ren)工制(zhi)造(zao)技術之后，人(ren)們才開始對其(qi)逐漸有所認識(shi)。

高(gao)(gao)飽和(he)電(dian)子遷(qian)移(yi)率(Si的(de)2.5倍(bei))以及高(gao)(gao)健(jian)合能等優(you)點，這就使(shi)(shi)得碳化硅材料(liao)可(ke)以很好地適用于(yu)(yu)高(gao)(gao)性(xing)能(高(gao)(gao)頻(pin)、高(gao)(gao)溫(wen)、高(gao)(gao)功率、抗(kang)輻射(she))電(dian)子器件(jian)。高(gao)(gao)的(de)熱導率有利于(yu)(yu)大功率器件(jian)的(de)熱耗散和(he)高(gao)(gao)密(mi)度集(ji)成高(gao)(gao)的(de)載流子飽和(he)遷(qian)移(yi)速(su)率可(ke)以使(shi)(shi)之(zhi)應用于(yu)(yu)高(gao)(gao)速(su)開關器件(jian)；高(gao)(gao)的(de)臨界位(wei)移(yi)能使(shi)(shi)碳化硅器件(jian)的(de)抗(kang)輻射(she)性(xing)能優(you)于(yu)(yu)Si器件(jian)。

由于碳化硅材料的帶隙很寬(4H型碳化硅在室溫下約為3.26eV)，碳化硅器件能夠在很高的溫度下工作而不至于因為本征載流子激發導致器件性能失效。碳化硅材料在發生雪崩擊穿前所能夠忍受的極限電場是硅材料和砷化鎵(GaAs)的5~20倍12。這一高極限電場可以用來制造高壓、大功率器件。 

碳(tan)化硅材(cai)料(liao)具有(you)很(hen)高的臨界位(wei)移(yi)能(neng)約為45~90eV。這使(shi)得碳(tan)化硅材(cai)料(liao)具有(you)很(hen)高的抗(kang)輻射能(neng)力和抗(kang)電磁波沖(chong)擊(EMP：ElectroMagnetic Pluse)能(neng)力。

表1 室溫(wen)下(xia)幾種(zhong)半(ban)導體(ti)材料(liao)特性(xing)的比較 

表(biao)1列出了碳(tan)化(hua)硅(gui)與主要半導體材料在室溫下的(de)材料參(can)數。從表(biao)中可以看出碳(tan)化(hua)硅(gui)與砷化(hua)鎵相對硅(gui)具有(you)更(geng)優(you)良的(de)特性(xing)，因(yin)此這兩種材料能夠(gou)制(zhi)作高(gao)溫高(gao)壓(ya)(ya)(ya)大功率器(qi)件(jian)(jian)。在寬禁帶半導體材料中，碳(tan)化(hua)硅(gui)是(shi)最(zui)有(you)希望首(shou)先取得(de)(de)突破，因(yin)為SIC是(shi)除了Si以外(wai)唯一能夠(gou)熱氧化(hua)生長Sio2的(de)半導體，而且SIC器(qi)件(jian)(jian)工藝和(he)設備都與Si器(qi)件(jian)(jian)有(you)很強的(de)兼容性(xing)。碳(tan)化(hua)硅(gui)高(gao)的(de)臨(lin)界擊穿電(dian)場使其(qi)漂移區(qu)的(de)電(dian)阻減少200倍，從而使高(gao)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)件(jian)(jian)的(de)導通(tong)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)比目前所(suo)有(you)的(de)硅(gui)功率器(qi)件(jian)(jian)(IGBT、SBD、PiN)都小得(de)(de)多。

然而難以(yi)獲得高(gao)質量的(de)(de)(de)碳(tan)化硅(gui)襯底(di)一(yi)(yi)直是阻礙這一(yi)(yi)領域(yu)發(fa)(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)難題。隨(sui)(sui)著(zhu)1978年的(de)(de)(de)大面積碳(tan)化硅(gui)籽晶生長法的(de)(de)(de)出現以(yi)及隨(sui)(sui)后碳(tan)化硅(gui)薄膜制備技術(shu)的(de)(de)(de)完備，碳(tan)化硅(gui)材(cai)料得到了進(jin)一(yi)(yi)步(bu)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)。隨(sui)(sui)著(zhu)碳(tan)化硅(gui)材(cai)料制造工藝的(de)(de)(de)進(jin)一(yi)(yi)步(bu)發(fa)(fa)展(zhan)，以(yi)及制造成本的(de)(de)(de)不斷下降，碳(tan)化硅(gui)材(cai)料將在高(gao)溫(wen)、高(gao)頻、光電子、抗輻(fu)射等領域(yu)擁(yong)有廣闊(kuo)的(de)(de)(de)應用發(fa)(fa)展(zhan)前景，如表2。

表2 碳化(hua)硅(SIC)材料的應用(yong)領域